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Las informaciones y conceptos expresados en esta conferencia se hacen

con el propósito de divulgar e informar de manera general sobre los

temas relacionados con el concreto.

ASOCRETO no es ni pretende ser asesor de proyectos específicos.

Cualquier duda en relación con obras específicas debe ser consultada por

el interesado con los diseñadores e interventores de la respectiva obra.

El uso que se haga de las informaciones y conceptos aquí expresados no

conllevan responsabilidad alguna para ASOCRETO ni para los

conferencistas, ya que debe ser utilizada por personas idóneas bajo su

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concepción, ejecución y vigilancia de los respectivos proyectos. Los

conceptos expresados no son asesoría para una obra en particular.

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Germán HermidaSIKA

COLOMBIA

TÚNELES

REVESTIMIENTO DE TÚNELES EN CONCRETO LANZADO CON FIBRAS

Gracias al apoyo de:

CONCRETO LANZADO

REFORZADO CON FIBRAS

CONSIDERACIONES Y

ENSAYOS

Germán Hermida Ph.D.

Reunión del concreto, Asocreto

Septiembre 23- 2010

El concreto lanzado es mas antiguo de lo que parece,

primera máquina de concreto lanzado fabricada para

reparar la fachada del museo natural de Chicago, 1907.

Carl Akeley, 1864-1926

Tradicionalmente se han empleado mallas

electrosoldadas, reservorio de agua en 1927.

Ensayo sobre concreto lanzado en la Universidad de Lehigh,

placa de 8.2 cm de espesor y una luz de 2.4 m (1920). La carga

fue de 16.16 T, tuvo una deflexión de 5 cm luego de 2 años.

En el caso particular de los túneles ¿para que se emplean estas mallas?

Las mallas se constituyen en un refuerzo secundario para:

- Prevenir la fisuración por retracción y temperatura.

- Distribuir los esfuerzos provocados por el terreno.

- Si tiene lugar fisuración evitar el colapso del recubrimiento, otorgándole a la estructura la posibilidad de continuar funcionando luego de la falla de la matriz del concreto.

Terreno

Lanzado

primario

Lanzado

secundario

Malla

electrosoldada

¿Recubrir todo con

malla?

Verdadera obra

de arte

Mallas

Concreto Lanzado

Sobre espesores de lanzado

Malla electrosoldada

Concreto de recubrimiento

- Requiere una inversión importante en

tiempo.

- Implica una mano de obra adicional y

especializada en el frente.

- Implica frecuentes sobre espesores para

garantizar el recubrimiento o una superficie

regularizada.

- Aumenta el tiempo de ausencia del soporte

y por lo tanto el riesgo.

El refuerzo con mallas en los túneles

Grados de núcleos (ACI 506)

Experto Intermedio Estudiante

Men

or

asen

tam

ien

to

¿Existe alguna alternativa?

El refuerzo discontinuo tiene

antecedentes en el concreto uso

de clavos, ganchos que se

remontan a la década de 1930*.

*(EN 14889)

Concreto lanzado reforzado con fibras

1971 – Se desarrolló el concreto lanzado

reforzado con fibras en EE.UU.

1973 – Primer uso práctico de concreto

lanzado reforzado con fibras por el

Cuerpo de Ingenieros del Ejército de

EE.UU.- Represa Ririe – Idaho.

1977 - Primer uso de concreto lanzado

reforzado con fibras en Canadá -

estabilización de la banca de un

ferrocarril - Burnaby, BC.

Final de años 1970 – Primer uso de humo de sílice en concreto lanzado en Noruega.

Fibras de refuerzo

• Permiten el control del agrietamiento por

retracción plástica y de secado o por

esfuerzos térmicos.

• Mejoran la resistencia al impacto

• Mejoran la ductilidad/tenacidad

(Transmisión de carga después del

agrietamiento)

Se mezclan y transportan como

un componente más del concreto

(agregado).

Permiten una

manipulación

convencional

Salida

concreto

Agua para

refrigeraciónPistón de

concreto

Válvula de

giro

Cilindros

Se bombean dentro del concreto a una presión entre 50 a 70 bares.

El concreto reforzado con fibras completa un viaje intrincado por tuberías, mangueras, codos y acoples.

Al menos 6 m3/minuto a 4-5 bares.

En un momento del trayecto recibe una tremenda bocanada de aire

Aliento alcalí-free

…y por fin al final

de la travesía ve la

luz en un punto

estrecho… muy

estrecho.

Luego sin saber como

emprende el vuelo sin la

menor idea de donde ira

caer.

Lo cierto es que

en general no

planea mas de un

metro y termina

estrellándose

sobre una

superficie donde

debe quedar

estampillado

(preferiblemente

por completo).

Luego de esta odisea el concreto

lanzado, neumático (¿disparado?)

debe fraguar de manera

“instantánea” y luego endurecer.

Macrofibras

Concreto lanzado reforzado con fibras metálicas

• 0.5 to 1.0% del volumen

• 30 a 79 kg/m3

Dependiendo del tipo de fibra y la aplicación, dosis típicas de 40 a 60 kg/m3

Tipos de fibras sintéticas

• Polipropileno (y poliolefina)

• Monofilamento

• Fibriladas

• Mezcla de polietileno/polipropileno

(parcialmente fibrilada)

Concreto lanzado reforzado con

fibras sintéticas

Dosis

0.5 a 1.5% del volumen (4 a 14 kg/m3) dependiendo del tipo de fibra y la aplicación

Ventajas del concreto lanzado

reforzado con fibras

• Menor tiempo de colocación.

• Menor tiempo del terreno inestable

expuesto.

• Menor mano de obra especializada.

• Refuerzo tridimensional.

• Reducción de sobre espesores

Concreto Lanzado

Sobre espesores de lanzado

Malla electrosoldada

Concreto de recubrimiento

Concreto Lanzadoreforzado con fibra

Espesor constante

Concreto de recubrimiento

Ensayos para concreto

lanzado reforzado con

fibras

en laboratorio….

2. Fraguado, se mide usualmente en pastas de cemento usando la aguja

de Vicat pero no está normalizado. Este procedimiento busca calificar la

compatibilidad acelerante/cemento.

Esta compatibilidad sirve descartar combinaciones acelerante/cementante.

Algunas especificaciones de nuestro

medio:Fraguado Final

25 mm 35 mm 0 mm

0.45 70 seg 80 seg 120 seg

0.40 180 seg 720 seg

A/CFraguado Inicial

Muchas de ellas conservadoras descalifican combinaciones que funcionan en campo.

Resistencia, a escala laboratorio se examina la pérdida aparente de

resistencia con pastas sin y con acelerante.

Como fraguan instantáneamente es un ensayo donde los especímenes pueden quedar fácilmente mal consolidados

en campo….

¿Asentamiento con el cono de Abrams?

FRAGUADO INSTANTANEO

15 µm

Tiempo = 0 min Tiempo ≈ 80 min

En 10 min!!

HIDRATACION

DEL

CEMENTO

FORMACION

DE ETRINGITA

CONCRETO

ACELERADO

Tiempo

Re

sis

ten

cia

a la

co

mp

res

ión

(M

Pa

)

Conocida en nuestro medio como ADAPTABILIDAD es una

medida del fraguado instantáneo del material que se

mide a 2, 5 y 10 minutos

Edad Carga

2 minutos 260 N

5 minutos 380 N

10 minutos 450 N

Aguja No.9

El objetivo es el de demostrar la aptitud de

material para pegar y endurecer rápidamente.

Concreto

Lanzado

Concreto

Acelerador

Aire

EVOLUCION DE LA

RESISTENCIA

Para conocer la evolución temprana de la

resistencia del concreto antes de poder

extraer un núcleo existen métodos

alternativos como la penetración con la

pistola HT 450.

A partir de 8 o 12 horas es posible

extraer núcleos de artesas que se

han muestreado en campo.

A los núcleos puede estimársele

la densidad, antes de medir la

resistencia a la compresión.

La evolución de la resistencia determinadacon medidas de penetración, núcleos ocubos da lugar a una clasificación para losconcretos lanzados.

Clase J1 Apropiado para la aplicación de capas delgadas sobre

un sustrato seco. No existen requerimientos estructurales y no se esperan esfuerzos importantes luego de las primeras horas luego de la aplicación.

Clase J2 Usado en aplicaciones de capas gruesas que tienen que aplicarse y lograrse en un periodo de tiempo corto. Puede ser aplicado sobre cabeza su uso es deseable incluso bajo circunstancias difíciles, v.g. en presencia de filtraciones o para continuar inmediatamente las actividades de “quema” y excavación.

Clase J3Usado en caso de una roca muy débil con fuertes

filtraciones de agua. Debido a que su fraguado es en extremo rápido se espera que el rebote sea mayor durante la aplicación.

Re

siste

nc

ia

a

la

c

om

pre

sió

n

(M

Pa

)

minutos horas

Normas Suizas

J3

J1

J2

Normas Austriacas

Normas Noruegas

Túnel de la linea

RancheríaTúnel Sumapaz

Porce III

EVOLUCION DE RESISTENCIAS A COMPRESION

DIFERENTES CEMENTOS COLOMBIANOS

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30

EDAD (DIAS)

RE

SIS

TE

NC

IA A

CO

MP

RE

SIO

N (

kg

/cm

2)

Cemento Concretera I

Cemento Bulto I

Cemento Concretera II

Cemento Bulto II

Cemento Concretera III

A

0.2

0.3

0.5

1

2

4

10

20

30

1 2 3 6 10 30 60 2 3 6 9 12

J1

J2

J3

24

B

C

0.1

minutos | | horas

Res

sis

ten

cia

a l

a c

om

pre

sió

n [M

Pa

]Evolución de la resistencia a la compresión

Descripción del ensayo concreto lanzado en Obra (Tunel X- km Y)

Acelerante Sigunit-L53 AF Dosis 8.0 % Densidad 1.46 kg/l

Ensayo Párametros en estado fresco

Artesa 1 Cemento CEM II/A-LL 42.5 R SP ViscoCrete 2100 SF 10'/60'/120' 25 cm

Fecha lanzado 6.07.10 450 kg/m3 SP dosis 0.9 % Contenido de aire 4.9 %

Hora Lanzado 15:05 h Humo de sílice RT SikaTard Densidad 2265

Marca cemento Holcim 22.5 kg/m3 RT Dosis 0.0 % T Concreto 18.5 °C

Cantidad Concreto 4 m3 Adición II Fibras sintéticas T Aire 16.4 °C

Hora de mezcla 14:20 h 7 kg/m3 Contenido de agua 199 l/m3

Penetrometro & Hilti (Cartuchos verdes, posición 1) Parametros de lanzado

95 95 95 95 95 95 52 52 52 Presión Acelerante 5.0 bar

Time min / h 6 10 20 30 40 60 120 240 300 340 435 480 540 600 1350 Caudal acelerante 25.0 l/min

Medida 1 64.6 180 440 261 33 44 26 Presión de aire 3.5 bar

Medida 2 59.4 190 359 409 30 50 22 Presión del concreto 50.0 bar

Medida 3 145.4 163 421 424 55 22 Caudal concreto 10 m3/h

Medida 4 116 227 411 489 60 24 Productor del concreto Planta obra

Medida 5 128 193 358 423 45 26 Tipo Lanzado SPC 25/ll/J2/GK8/F59

Medida 6 80 151 414 384 65 Tipo de agregado Lime stone

Medida 7 104 190 334 473 50 Agregados 0-4 / 4-8

Medida 8 80 218 345 491 Arena/Grava 62/38

Medida 9 108 165 424 446 Equipo lanzado PM500

Medida 10 87 167 468 530

Promedio 97.24 184.4 397.4 433 32 53 24

Resistencia (Mpa) 0.192 0.318 0.627 0.678 3.8 8.583 14.78

Temperatura 23.3 °C 23.0 °C 22.0 °C 21.0 °C 25.0 °C 23.0 °C 24.0 °C

Cuantía Adición II

Cuantía Adición I

Cuantía Cto

Adición I

J3

A

C

B

2

4

10

20

30

Re

sis

ten

cia

a l

a c

om

pre

sió

n

[MP

a]

A

C

B

0.1

0.2

0.3

0.5

1

2

4

10

20

30

2 3 6 10 30 60 2 3 6 9 12 24

J1

J2

J3

Minutos | Horas

Re

sis

ten

cia

a l

a c

om

pre

sió

n

[MP

a]

Fibra sintética

FUNCIONES DE UNA

MACROFIBRA

• Antes de fisuración: Evitar o

disminuir la fisuración en estado

endurecido.

• Después de fisuración: Disminuyen

el ancho de fisura pero mas importante

aún, permiten que la estructura

continúe trabajando.

MACROFIBRAS

Metálicas

Sintéticas

FIBRAS DE ACERO vs. FIBRAS SINTÉTICAS

Edad 35 años 12 años

Dosis 20-40 kg 2-9 kg

$/kg 5.800 25.750

$/m3 174.000 154.500

Vol/m3 4.22 L 6.39 L

R. Fuego Media Buena

Oxidación Media Nula

D. Equipos Media Baja

Aplicaciones: refuerzo secundario para pisos y concreto lanzado.

Las

macrofibras

adicionadas al

concreto

lanzado no

incrementan

en general …

la resistencia a la

compresión…

ni la resistencia a la tensión…

Ligeramente la resistencia a la flexión…

(dependiendo la dosificación)

…y entonces para que las

usamos en el concreto

lanzado?

Carga (kg)

Deformación (mm)

La carga se

sigue

transmitiendo a

través de las

fibras!

aumentan significativamente

la tenacidad del material!

La tenacidad de un material es su

capacidad mecánica para absorber

o soportar una conjuntamente una

fuerza o producir una deformación.

Es la habilidad entonces de

absorber energía durante una

deformación plástica antes de la

ruptura.

TENACIDAD

Carga (kg)

Deformación (mm)

d1 d2 d3

Carga (kg)

Deformación (mm)

La tenacidad se evalúa de dos

formas en flexión…

1.Resistencia a la flexión residual

(ASTM C 1399, C1609)

2. Absorción de energía

(EFNARC 14488-5, ASTM C 1550)

RESISTENCIA A LA

FLEXION RESIDUAL

ASTM C 1609

EFNARC – EUROPEAN SPECIFICATION FOR SHOTCRETE

ABSORCION DE

ENERGIA

Fibra metálica

MallaEnerg

ía (

julio

+1

0-3

)

Deflexión (mm)

EFNARC – EUROPEAN SPECIFICATION

FOR SHOTCRETE EN 14487

Este ensayo

representa la

estructura en

una escala 1:1

• Para una deflexión de 25

mm y una carga superior

a 5 T aun permanecen

unidos los segmentos.

Norma EN14488-5 “Testing Spray concrete -

Determination of energy absortion capacity of fiber

reinforced slap specimen”

Adherencia!

TIPOS

Energía Absorbida

hasta una deflexión de

25 mm (Julios)

A 500

B 700

C 1000

La mayor parte de las

especificaciones

colombianas

ASTM C1550 Resultados de ensayo de pánel circular

Fibras

metálicas

Montaje

laboratorio

UTG.

(Edad del

concreto 14

días)

ENSAYO DE ABSORCION DE ENERGIA

Energía vs. Deflexión Presa El Cercado Río Ranchería (Dic.1/2006)

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Deformación (mm)

Carg

a (

kN

)

PLACA I

Deformación Def. Corregida Carga I Energía calculada

[mm] (mm) [kN] (julios)

5 0 0.0 0.0

5.1 0.1 18.5 0.9

5.2 0.2 30.9 2.5

5.3 0.3 44.3 3.8

5.4 0.4 50.7 4.7

5.5 0.5 53.7 5.2

5.6 0.6 54.0 5.4

6.1 1.1 57.0 27.8

6.2 1.2 60.0 5.8

6.3 1.3 53.0 5.6

6.4 1.4 52.0 5.2

6.5 1.5 47.4 5.0

7.5 2.5 47.0 47.2

8.5 3.5 46.1 46.6

9.5 4.5 44.2 45.2

10.5 5.5 43.1 43.7

11.5 6.5 42.2 42.7

12.5 7.5 39.1 40.7

13.5 8.5 38.1 38.6

20.5 15.5 35.3 256.9

21.5 16.5 34.4 34.9

22.5 17.5 32.2 33.3

23.5 18.5 29.1 30.7

24.5 19.5 25.8 27.5

25.5 20.5 23.1 24.5

26.5 21.5 21.2 22.15

27.5 22.5 20.1 20.65

28.5 23.5 18.6 19.35

29.5 24.5 18.4 18.5

30.5 25.5 16.6 17.5

31.5 26.5 16 16.3

32.5 27.5 14.4 15.2

Energía 882

Ya es un tipo B, a 14

días

Ensayo sudafricano de cama de agua

Resultados de ensayo sudafricano de cama de agua

Barton-Modificado .Papworth- (2002)

Figure 1: Modified Barton Chart

Barton modificado- Grimstad et al (2002)

Figure 2: The Q-Chart published in 1993 [2] with classes of energy absorption

EFNARC vs. Ensayo de pánel circular

EFNARC 25mm (J) = 2.5 x RDP 40mm (J)

Ref: Bernard, E.S. Correlations in the Performance

of Fibre Reinforced Shotcrete Beams and

Panels Reports

No. CE9 & CE15, School of Civil Engineering

and the Environment, University of Western

Sydney, Australia, 1999/2000.

Note: RDP Test = ASTM C1550

Diseño de túneles en concreo lanzado reforzado con fibras

Correlación entre tipos de roca Q-System y

varios criterios de tenacidad

Esquemas de túneles – terrenos tipo 3 & 4

Incendios recientes en

túneles

Túnel de la mancha (1996)

Túnel del Gran Cinturón de Dinamarca (1999)

Túnel Dartfort (1999)

Túnel San Gotardo (2002)

Daños en el

Túnel de la

Mancha (1996)

Mecanismos de ataque

Descascaramiento

Descarcaramiento agregado conversión química

Expansión-agrietamiento esfuerzos térmicos

Descamamiento explosivo presión de vapor

Reducción de las propiedades mecánicas

Reducción en la resistencia al concreto

Reducción en la resistencia del acero

Reducción entre la adherencia pasta-agregado

Reducción de la adherencia acero-concreto

~400°C

Agua evaporable: ~25% del peso del

cto

- Agua interlaminar

- Humedad del agregado

- Agua capilar

Descamación

explosiva

Descascaramiento explosivo

Reducción del espesor: hasta 200

mm/h

Sistemas de protección frente

al fuego

Sistemas activos

– Sistemás de extinción Lucha contra fuego

– Sistemas de detección Alarmas de fuego

Sistemas pasivos

– Morteros de protección Aislamiento de calor

– Concreto lanzado con fibras de pp Reducción de la

presión de vapor

– Concreto de recubrimiento adicional capa

protectora

– Membranas o placas Aislamiento de calor

Concreto reforzado con fibras pp:

Reducción de la presión de vapor

pero disminución de las propiedades

mecánicas

Materiales Masa (seca)Densidad

(kg/L)Volumen (L)

Cemento 560 3.10 180.6

Agua 258 1.00 257.6

44% Agregado 568 2.49 228

56% Grava 1" (Tabio Metro) 722 2.35 307

Aire 2.0% 20

0.85% Fibras metálicas 50.00 7.80 6.41

1000

Paneles ensayados:

1. Testigo con malla electrosoldada

2. Fibras metálicas (40 kg/m3)

3. Fibras metálicas (40 kg/m3)+ microfibras pp (1.8 kg/m3)

4. Macrofibras sintéticas (pp, 9 kg/m3)

Montaje de ataque de fuego con una tasa de

calentamiento muy superior a la ASTM E 119

Panel con malla

electrosoldada, luego de

15 minutos se habían

perdido la mitad del

espesor 7.5 cm por

descascaramiento!

Panel con fibras metálicas

y polipropileno luego de 2

horas de exposición sin

descamación.

Standard Requirements: Fire

Curves

Galería de ensayos Hagerbach:

VSH

Acreditado de acuerdo ISO IEC 17025

por la oficina Suiza de metrología

(OFMET)

Medidas obtenidas del ensayo

• Aislamiento de calor

• Descascaramiento

• Desempeño del material durante y después del ensayo

• Espesor de la capa

• Resistencia a la compresión

• Resistencia a ciclos de congelamiento y descongelamiento

• Resistencia a la tensión superficial

Sin fibras

500 g/m3

1000 g/m3

1500 g/m3

American Concrete Institute

• ACI CCS-4 Concreto lanzado para el artesano

• ACI 506R-05 Guía para concreto lanzado

• ACI 506.2-95 Especificaciones para concreto lanzado

• ACI C660 Certificación de operario lanzador de concreto

• ACI 506.1R-08 Guía para concreto lanzado reforzado con

fibras

• ACI 506.4R-94 Guía para la evaluación de concreto

lanzado

• ACI 506.5R-09 Guía para especificar concreto lanzado

subterráneo

ACI 506.5R-09 Guía para la especifiación de concreto

lanzado subterráneo

La tabla de contenido incluye:

• Alcance

• Materiales

• Anclaje y reforzamiento

• Manejo y almacenamiento de materiales

• Requerimientos de desempeño

• Control de calidad

• Ensayos de preconstrucción

• Aceptación/inspección en la construcción

ACI 506.5R-09Guía para la especifiación de concreto lanzado

subterráneo

Tabla de contenido (continuación)

• Mezclado, cargue y suministro

• Equipos y colocación

• Equipos auxiliares

• Seguridad

• Preparación para el lanzado y control del terreno

• Instalación del reforzamiento del terreno

• Aplicación del concreto lanzado

• Curado y protección

• Reparación y rehabilitación

• Medidas para pago

Gracias su

atención